超電導 Web21 - 国際超電導産業技術研究センター

2011 年 6 月 1 日発行
Superconductivity
超電導 Web21
財団法人 国際超電導産業技術研究センター 〒135-0062 東京都江東区東雲 1-10-13
Tel: 03-3536-7283
Fax: 03-3536-7318
特集：冷凍・冷熱技術「20 K 冷凍機の開発と水素エンジン自動車」
東京都市大学
総合研究所 水素エネルギー研究センター 兼 工学部 エネルギー化学科
准教授 山根公高
冷凍・冷熱技術は、医療面では MRI（Magnetic Resonance Imaging）の超電導磁石に、宇宙では
赤外線望遠鏡の望遠鏡筒を冷却するヘリウムガスの再液化、地上では電力輸送、リニア新幹線のリ
ニアモータに、また液化ガスを作る手段としてなくてはならないものになっている。
東京都市大学（旧武蔵工業大学）は、将来の化石燃料の枯渇化問題と、その燃料が内燃機関（以
下エンジンと称す）に使われ排気ガスとして出てくる有害物質（一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、
窒素酸化物(NOx)）による公害問題を解決するために、化石燃料を水素燃料に替えてエンジンに使
えないだろうかと考え、1970 年より故古浜庄一先生（前武蔵工業大学学長）の指導の基で、筆者の
同期湯浅誠治さんと筆者とで水素エンジンの研究、すなわち、水素燃料の性質がエンジンの動力性
能や排気性能にどのような影響を及ぼすかの研究を開始した。
1 次エネルギーとして自然エネルギー（太陽エネルギー（光、熱、風、水力、波力等）
、地熱、潮
力、バイオマス）と、地球に豊富な水を使って、水素を作る。水素と空気を燃焼させるので排気ガ
スには温暖化ガスの一つである二酸化炭素(CO2) は発生しない。厳密に言うと、エンジンには化石
燃料を使うときと同じように、
炭化水素系の潤滑剤が必要である。
潤滑剤は水素燃料と一緒に燃え、
数~10 数 ppm の CO2,CO,HC を発生し、空気と水素を燃焼させることから、運転条件によっては
NOx が排気管から出てくる。しかしそれらは、数~10 数 ppm のレベルであるので公害問題を引き
起こすことはない。初期のテストエンジンを用いた研究結果から、水素燃料は化石燃料と同じよう
にエンジン自動車の燃料として使えることが分かった。それを証明するために今までに 12 台の水
素エンジン自動車を開発した。公道を走行するために技術基準がつくられた。この数年はその技術
基準に基づいた 35 MPa 高圧水素ガス用軽量樹脂タンク水素供給システムを用いて白ナンバーを取
得し、公道走行実証運転試験を行っている。液体水素燃料供給システムについては、そのような技
術基準がまだ検討もされていない。後述する理由から、早期に液体水素についても技術基準が整備
されることを願う。
自動車の原動機の必須条件は、その目的から言って高出力、軽量、小型で安価である。これを満
す必要から、水素燃料もエネルギー密度の高い液体水素を搭載する必要がある。とても難しい技術
ではあるが液体水素高圧ポンプを使って液体水素を車上で高圧化し、外気やエンジン冷却水より熱
をもらってガス化してエンジンに供給するシステムは、すでに本学で完成している。このシステム
を使うことによって、燃焼圧力の約 2 倍の圧力でエンジン内に直接水素を噴射することができ、水
素燃料特有の異常燃焼発生を阻止し、同じ大きさの化石燃料エンジン出力の約 1.2 倍の出力を得る
ことが出来る。さらに最適制御運転を実施することにより、熱効率が化石燃料エンジンより大きく
できることが期待されている。その結果、液体水素燃料を使うことで理想的水素エンジン自動車が
出来る 1)。
しかし、化石燃料用燃料タンクを使って、液体水素を車載すればたちまちに蒸発して燃料タンク
2011 年 6 月号
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300
40
ye
n/
lit
er
100
yen
80y /liter
en/l
iter
LH2 Cost=
300yen/lit
er
Cost ( yen/day )
から液体水素はなくなってしまう。
それを閉じ込めれば、
燃料タンク圧力は高圧になり破壊に至る。
完全断熱が必要であるが物理的に成立しない。そこでリンデは BMW 社が開発した水素エンジン自
動車に搭載できる断熱効率の最も高い断熱性能を持つ液体水素燃料タンク（液体水素貯蔵容量約
100~130 ℓ）の開発を行い、公称蒸発損失 1 %/day の液体水素タンクを開発した。しかし公称蒸発
損失 1 %/day の超断熱タンクは、コストが高くて自動車には実用的でないことが判明した。現時点
で、実用的な液体水素燃料タンクの蒸発損失は 5 %/day 前後といわれている。将来自動車はさらに
インテリジェント化されるので今よりも多くの電力を必要とする。BMW 社は、自然蒸発した水素
の利用法の一つとして、小型燃料電池を搭載してボイルオフ水素を電気に変換し電力として使う考
えを挙げたこともある。しかし、液体水素を燃料とする自動車を利用するユーザーにとっては、走
行のためにタンクに貯蔵しておいた液体水素燃料が車を走行させないうちに、自然蒸発でその量が
減少してゆくことは許し難いことである。
ユーザーはできるだけ安く、
便利に自動車を利用したい。
液体水素を燃料とする水素エンジン自動車は、走行中は液体水素燃料を利用するのでほとんど液体
水素燃料タンク内圧力は上昇しない。走行中に万一タンク圧が許容値以上に達した場合は、ガスと
してエンジンに供給し、動力に変換してしまえばよい。問題は、長期の駐車やガレージでの保管等、
走行をしないときである。タンク圧力が許容圧力より高くなればタンクから放出しなくてはならな
い。放出水素ガスの安全性を確保するために、その処理法を考える必要もある。例えば、燃料電池
自動車では、ボイルオフガスを水素吸
600
蔵合金に貯蔵しておき、走行時は貯蔵
st=
Co h
r
500
された水素を使って走行するシステム
we /kW Wh
Po yen
2)
n/k
c
を研究している 。それでも長い時間
tri 20 15ye
c
e
400
El
止まっていれば、吸蔵合金が貯蔵でき
Wh
る限界もあるので難しくなる。
en/k
10y
自然蒸発による液体水素燃料タンク
２００円/日
200
１４７円/日
内の液体水素燃料を、本来の目的であ
100
る自動車の動力を得るために使う以外
Note: Total Electric Power=1.8 kW
LH2 Tank Pressure=0.5 MPa
に消費させることは、車の利便性から
0
合理的ではない。よって、蒸発した分
５％/日
0
10
20
Boil-off
Rate QBF ( %/day )
だけ液体水素燃料を充填してかかる費
用と、小型冷凍機で液体水素燃料タン
図 1 液化電力と液体水素再充填のコスト比較
ク内に侵入した熱（実際は蒸発した液
体水素の潜熱）を外部にくみ
表 1 小型冷凍機の種類と特徴比較
出す冷凍機電力の費用を比較
小型冷凍機の種類
特徴
自動車車載適応性
軽量小型 長寿命 構造簡単 利便性
検討することによって、ユー
ザーにとってどちらが得であ マイクロジュール
数十MPaの高圧ガスが必要
○
○
○
×
軽量で取り扱いやすい
（高圧ボンベ）
るかを検討するために図 1 を トンプソン冷凍機
動く部分がなく低振動、低騒音
作成した。横軸に 100 ℓの液
蓄冷式冷凍機
大きなコンプレッサーが必要
×
△
×
×
体水素が充填できるタンクの ・スターリングサイクル 振動が起こる
（大型圧縮機）
蒸発損失量(%/day)、縦軸に費 ・ヴェルミエサイクル 長い開始時間（約10分）
・GMサイクル
重い、大きい
用をとった。液体水素充填費 ・ソルベイサイクル
切換え弁がある
用の計算では、1 ℓ当たりの パルス管冷凍機
構造が単純
○
○
○
○
冷凍部に可動部がないので
売値費用をパラメータに取り、
振動がほとんど生じない
冷凍機の場合は、実用化され
長時間の稼動に対し高い
信頼性が得られる
ている小型 GM サイクル冷凍
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機の効率データから液体水素タンク内での条件にあわせるため、
その効率のデータを内挿して求め、
それに合わせ電力売値をパラメータにとってそれぞれを比較した。液体水素充填費用で最も安価な
値段は、ユーロケベックプロジェクトで計画した液体水素の値段(40 円/ℓ)であり、実現はしていな
いが著者の知っている限りでは最も安価な液体水素の値段である。
また、
最も高い売値電力価格は、
家庭用電力(20 円/kWh)である。蒸発損失を自動車に使える実現的な 5 %/day とすると、蒸発した液
体水素をタンクに再充填するためには 1 日当たり 200 円の費用がかかり、冷凍機を使った場合は
147 円かかることが分かる。高価な電力を使っても液体水素充填費用より安価である。2002 年には
NEDO の WE-NET 革新アイデア募集への研究提案を行い採択され、パルス管冷凍機の世界的権威
である松原洋一先生を中心に、本件に関心のある研究者総勢 10 名で液体水素燃料蒸発ロスゼロ化
プロジェクトを結成し、自動車搭載条件にマッチした小型冷凍機調査と選定のために、机上検討を
実施した。その結果を表 1 に示す。自動車搭載用冷凍機としては、パルス管冷凍機の適性が高いこ
とが判った。
液体水素を燃料とする水素エンジンの
液体水素蒸発ロスゼロ化は、液体水素燃
料を使うことで可能となる理想的エンジ
ン自動車が実用化されることと全くの同
意語である。しかし、2002 年に液体水素
燃料蒸発ロスゼロ化プロジェクトでの調
査でも、ほとんどの冷凍機の研究開発は
液化ヘリウムか液体窒素であり、液体水
素での研究はみあたらなかった。水素エ
ンジン自動車に対するパルス管冷凍機の
適性が高いことを訴えてきたが、なかな
か支援を受けることが出来ずに時間が過
ぎた。2008 年に文部科学省の科研費「萌
図 2 試作した 1 段式パルス管冷凍機
芽研究」と本学の「重点先行研究」とし
て液体水素蒸発ロスゼロ化実験が認めら
バファータンク用
れ、パルス管冷凍機を研究するための実
絞り
験室と、試作を始められる資金が得られ
試作したパルス管
圧力センサー
冷凍機本体
た。さらに幸いなことに松原洋一先生に
バファータンク
ご指導を頂けることになり、手始めとし
ロータリ
バルブ
て図 2 に示す構造の 1 段式パルス管冷凍
機を試作し、パルス管冷凍機の実験が出
来るようになり、水素エンジンの液体水
素蒸発ロスゼロ化の実現に向かって研究
は進んでいる。図 3 は、試作した 1 段式
試作したパルス管冷凍機用
真空容器
パルス管冷凍機実験装置の全景である。
パルスモータ用
パルス発生器
パルス管冷凍機の目標性能は、当面は、
300 W の投入電力に対して、1 W の冷却
図 3 試作した 1 段式パルス管冷凍機試験装置実験装置の全景
エネルギーを得ることである。将来はそ
れを 100 W の投入電力で、1 W の冷却エネルギーを得られる技術を目標としたい。構成要素は、冷
蔵庫に使われているものとほぼ同じと考えると、車載するためのコストは、多量生産を考え 10 万
円以下になると思っている。
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参考文献：
1. 山根公高(他６)、
「図解 水素エネルギー最前線」
、工業調査会、第 1 刷、ｐ.77-142、ISBN
4-7693-7118-7、2003.7.
2.橋正好行(他 5)、
「車載用液体水素タンクのボイルオフ低減技術の開発（第 3 報）-ボイルオフ低減
技術の実証実験-」日本自動車研究所、自動車研究、Vol.30, No.7, 2008.7, pp.41-44
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